水工金属结构及混凝土结构中声发射信号幅值衰减特性

伍卫平，李东风，丁 杰，倪国胜，高志萌，程胜金

(1.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南 郑州 450044；2.上海材料研究所，上海 200437)

0 引 言

声发射技术[1](Acoustic Emission，AE)是一种动态、整体的无损检测技术，可用来对建筑物结构的整体安全性进行评估及预警，已应用于水工建筑物的检测和监测中。采用AE技术对水工金属结构和水工混凝土结构进行损伤检测与定位分析时，了解结构中信号幅值的衰减规律，有利于传感器阵列的布置从而提高声发射源定位精度。在水工建筑物中的金属结构领域，目前已经开展了大量的声发射技术的应用和研究工作，伍卫平等[2-5]对钢岔管水压试验声发射过程进行了广泛研究，曹树林等[6]对水轮机蜗壳水压试验声发射进行了探讨。在大坝、水闸、泵站、堤防、桥梁、涵洞等水工建筑物的建筑材料中，混凝土为各向异性、非均质的混合材料，结构中存在大量的微观孔隙、裂缝，介质中声波传播特性复杂，不同于均质且各向同性的金属材料，因此声发射技术在该领域应用难度高，国内外出现了一些混凝土大坝方面的成功应用案例[7- 8]，但相对较少。

声发射信号在水工金属结构和水工混凝土结构中传播特性差异极大，本文对水工建筑物中的压力钢管及大坝混凝土结构分别进行声发射信号幅值衰减测试，进行比较和分析。

1 水工金属结构中声发射信号波幅衰减测试

对某水电站中压力钢管进行声发射信号波幅衰减测试，压力钢管材质为Q690CFE(强度为800 MPa级)，板厚为48 mm，内径为4 m，管节长度为3 m。对其声发射信号幅值衰减进行测试，采用PAC公司32通道POESH-Ⅲ型链式自源以太声发射系统(Daise AE)，PK15I型谐振型高灵敏度传感器，其中心频率为150 kHz，工作频率为50～400 kHz；以0.5 mm HB铅芯折断(Pencil Lead Break， PLBs)作为模拟声发射源，耦合剂为凡土林，采用磁性夹具固定传感器，声发射检测闸门设置为40 dB，数字化频率设置为5 MHz，峰值定义时间(PDT)、撞击定义时间(HDT)、撞击闭锁时间(HLT)分别设置为1 000、2 000、20 000 μs。

在钢管的环向布置5个传感器(见图1)，编号为1～5，将5个传感器灵敏度调整一致后，分别在环向上距离1号传感器100、200、500、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mm处各断铅5次，断铅点表面经过打磨处理露出金属光泽，取每个位置5次断铅信号幅值均值作为该距离处的幅值响应，进行幅值衰减测试，测试数据如表1所示，衰减曲线如图2所示。

图1 压力钢管AE传感器布置示意

表1 距离-幅值衰减数据

图2 距离-幅值衰减曲线

EN14584[9]标准规定针对金属压力容器的衰减测试，根据声发射信号幅值衰减的快慢，将信号的传输区间分为近场和远场两个区；近场区长度约为板厚的20倍，在近场区，声发射信号的幅值随传输距离的增加而迅速减小；而在远场声发射信号的幅值随着距离的增加而缓慢减小。

该钢管中幅值衰减曲线的近场区、远场区分界线较明显，分界线大约在传输距离为1 000 mm处。图2中，近场区、远场区幅值-距离的线性拟合模型中，衰减系数分别为16.9、1.7 dB/m，近场区中幅值-距离的线性关系较好(相关系数平方和R2为0.920 49)，而在远场区中，由于声波的叠加效应，在某些距离区间会出现信号幅值的增大，幅值-距离的线性关系较差(相关系数平方和R2为0.536 47)；传输距离为1、5 m时，幅值衰减量分别约为15.5、25 dB。由幅值衰减曲线可以看出，幅值-距离的对数拟合模型更理想，可以较好的表征整个衰减曲线，拟合模型相关系数平方和R2高达0.986 74。

因此钢岔管声发射传感器布置间距可以相对较大，一般为3～5 m。

2 水工混凝土结构中声发射信号波幅衰减测试

混凝土是一种由水泥(或其他的胶凝材料及掺合料)、集料(粗骨料、砂)、水和添加剂(如果有需要的话)经机械拌合而成的各向异性的混合材料，是非均质的三相体，即固体、液体和气体。声波在混凝土中传播，也就是多相介质中传播，加之大量的微观孔隙、裂缝结构的存在及其位置的不确定性，声波传播过程中发生的散射、折射、波形转换等，随着传播距离的增加，声波幅值衰减会增大。

以某水利枢纽工程中大坝混凝土结构为例，进行声发射信号波幅衰减测试。采用R6型低频谐振高灵敏度传感器，其中心频率为55 kHz，工作频率为35～100 kHz；以0.5 mm HB铅芯折断作为模拟声发射源；耦合剂为凡土林；用胶带固定好传感器。声发射检测闸门设置为40 dB，数字化频率设置为5 MHz，峰值定义时间(PDT)、撞击定义时间(HDT)、撞击闭锁时间(HLT)分别设置为300、600、1 000 μs。

分别在距离1号传感器0、100、200、…、1 000 mm处各断铅5次(见图3)，取每个位置5次断铅信号幅值均值作为该距离处的幅值响应，进行衰减测试。测试数据如表2所示，衰减曲线如图4所示。

图3 AE传感器布置示意(单位：mm)

表2 距离-幅值衰减数据

图4 距离-幅值衰减曲线

根据图4，混凝土结构中声发射信号幅值衰减很快，声波传输1 m约衰减了38 dB，远大于水工金属结构，线性拟合模型中衰减系数约为30.9 dB/m，因此声发射传感器布置间距不宜过大，一般不超过1 m。，幅值-距离的对数拟合模型较理想，可以较好的表征整个衰减曲线，拟合模型相关系数平方和R2高达0.989 87。

混凝土结构中幅值衰减曲线没有明显的近场区和远场区界限。

3 结 语

水工金属结构声发射信号的幅值-距离衰减特性具有明显的近场区、远场区效应，发射信号幅值-距离分布的线性在近场区要优于远场区(近场区、远场区的幅值-距离线性拟合模型相关系数平方和R2分别为0.920 49、0.536 47)，远场区中的某些距离区间，由于声波的叠加效应，随着距离的增大会出现信号幅值的增大；幅值-距离的对数拟合模型可以较好的表征整个衰减曲线(相关系数平方和R2高达0.986 74)；水工金属结构中声发射传感器布置间距一般可设置为3～5 m。

水工混凝土结构中声发射信号幅值衰减非常快，声波传输1 m幅值衰减约38 dB，远大于金属结构(钢管中传输距离为1 m时幅值衰减量约为15.5 dB)，幅值-距离的对数拟合模型较理想，可以较好的表征整个衰减曲线(相关系数平方和R2高达0.989 87)；近场区、远场区分界不明显；传感器布置间距一般不宜超过1 m。